Physique Chimie Thème : La Santé PROPAGATION DES ONDES ULTRASONORES

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1 Document élève 1/8 Nom : Prénom : Classe : Date : Physique Chimie Thème : La Santé PROPAGATION DES ONDES ULTRASONORES Objectifs : - En prenant pour exemple les ultrasons, identifier le caractère périodique d un signal sur une durée donnée. - Déterminer les caractéristiques d un signal périodique. - Visualiser sur un oscilloscope les signaux électriques images des ultrasons émis et reçu par une sonde. - Mesurer la vitesse de propagation des ultrasons dans l air, notion de retard. L'ultrason est un son, c'est-à-dire une onde mécanique et élastique, qui se propage dans les gaz, les liquides, les tissus mous tels la chair et les organes, ainsi que dans les solides et dont la fréquence est supérieure à Hz. Le nom vient du fait que leur fréquence est trop élevée pour être audible pour l'oreille humaine : le son est trop aigu. De la même façon que les infrasons désignent les sons dont la fréquence est trop faible pour être perceptible par l'oreille humaine. Les premières études sur les ultrasons n'étaient pas appliquées à la médecine, mais visaient à permettre la détection des sous-marins à l'occasion de la Première Guerre mondiale. En 1951, deux britanniques, le médecin J.J. WILD et l électronicien J. REID, présentèrent à la communauté médicale un nouvel appareil : l'échographe. Il était destiné à la recherche des tumeurs cérébrales mais fera carrière dans l'obstétrique. L'usage en obstétrique date du début des années 1970 avec les appareils permettant de capter les bruits du cœur fœtal. Sources : Wikipédia Source: lmc.ac-grenoble.fr Source: sousmarin.chez.com/sonar.htm PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 1)

2 Document élève 2/8 ACTIVITÉ 1 : Réception des ultrasons et visualisation du signal correspondant. 1. Le montage : Placer sur le rail d étude, un émetteur (E) et un récepteur (R1) d ultrasons face à face à une vingtaine de centimètres l un de l autre. Brancher l émetteur aux bornes d un générateur basse fréquence - GBF - délivrant une tension sinusoïdale réglée à son amplitude maximale et de fréquence d environ 30 khz. Relier le GBF à la voie 1 d un oscilloscope. Relier le récepteur à la voie 2 de l oscilloscope réglé comme suit : - sensibilité horizontale 10 s, - sensibilité verticale : 500 mv en voie 1 et 200mV en voie 2. - Pour tout le T.P., sur la voie 1, la trace sera représentée en jaune ; sur la voie 2, la trace sera représentée en bleue 2. Les observations : Les deux voies étant en service, qu observe-t-on sur chacune d elles? Que peut-on observer concernant le signal émis par le GBF? Comment appelle-t-on un tel signal? Augmenter progressivement la fréquence du GBF pour atteindre 50kHz. Observer le signal récepteur lorsque la fréquence varie. Conclure concernant l importance de l amplitude du signal reçu. Représentez dans les cadres ci-dessous les oscillogrammes observés PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 2)

3 Document élève 3/8 Conclusion L amplitude du signal récepteur passe par un pour une fréquence proche de.khz. L efficacité du dispositif est.. en fréquence. Revenir à la valeur de fréquence qui donne l amplitude maximale du signal récepteur. Combien de périodes entières du signal émetteur sont visibles sur l écran dans ces conditions de réglage?.. Comparer les périodes des deux signaux émetteur et récepteur.. ACTIVITÉ 2 : Mesure des grandeurs caractéristiques de signaux périodiques. On travaillera sur l oscillogramme autour de 40 khz Mesurer avec le plus de précision possible la valeur de la période T r du signal récepteur. Calculer la valeur de la fréquence «f» du signal récepteur et conclure. Mesurer les amplitudes des 2 signaux émetteur et récepteur, conclure. Sans toucher au GBF, régler la sensibilité horizontale de l oscilloscope à 5µs, comment les signaux changent-ils? Recalculer la période de ces signaux. Choisir sur le GBF un signal triangulaire. Observer l oscillogramme et conclure sur le rôle du GBF. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 3)

4 ACTIVITÉ 3 : Estimation de la vitesse de propagation des ultrasons dans l air. 1. Notion de retard, durée de propagation : 1.1 Les réglages et le montage Document élève 4/8 Régler l oscilloscope comme suit : Sensibilité horizontale 10µs, Sensibilité verticale voie 1 : 500mV, Sensibilité verticale voie 2 : 200mV. Placer un second récepteur (R2) sur le rail à une vingtaine de centimètres derrière le premier : on a alors «distance R1-R2» = 20cm. Brancher R1 sur la première voie de l oscilloscope en remplacement du GBF et R2 sur la seconde voie de l oscilloscope. 1.2 Les observations Représentez l oscillogramme avec la «distance R1-R2» = 20cm, le GBF alimentant l émetteur à la fréquence f = 40 khz : Qu observe-t-on sur l écran? À quoi est dû le décalage, c'est-à-dire le retard, entre les deux courbes? Augmenter la distance R1-R2 à environ 40cm, représenter l oscillogramme et indiquer le changement observé. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 4)

5 Document élève 5/8 2. Vitesse de propagation dans l air : 2.1 Le montage Alimenter maintenant l émetteur (E) par le GBF à travers le générateur de salves GENEPULSE, les récepteurs restant connectés comme précédemment aux voies 1 et 2 de l oscilloscope. Régler la sensibilité horizontale de l oscilloscope à 1ms. 2.2 Les observations Que constate-t-on pour les salves d ultrasons reçues par R1 sur la voie 1 et par R2 sur la voie 2. En reproduisant les oscillogrammes, vérifier que le retard augmente avec la distance R1R2.. Après avoir rappelé l expression de la vitesse de propagation de l onde en fonction de la distance «d» parcourue et de la durée t de ce parcours, proposer un protocole expérimental pour déterminer la valeur de la vitesse de propagation des ultrasons dans l air.. L oscillogramme pour d(r1-r2) ayant été reproduit ci-dessous, calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans l air. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 5)

6 Document élève 6/8 d (R1-R2) = 40 cm = m t = A.N. : v =. On remarquera que les ultrasons se propagent dans l air à la même vitesse que les sons audibles PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 6)

7 EXERCICE D APPLICATION : Document élève 7/8 On utilise un signal électrique dont l oscillogramme (1) est donné ci-dessous pour alimenter un émetteur ultrasonore. (1) 1. En observant le bandeau du bas de l écran de l oscilloscope, indiquer les sensibilités utilisées sur l oscilloscope.. 2. Repérer une période du signal? Calculer cette période T. En déduire sa fréquence f. 3. Calculer la valeur maximale de ce signal... PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 7)

8 Document élève 8/8 4. Deux récepteurs ultrasonores sont placés dans l eau, l un derrière l autre, séparés par une distance d = 3,6 m. Le récepteur R1 est plus proche de la source que le récepteur R2 et l ensemble «émetteur - récepteur R1 - récepteur R2» est aligné. Les récepteurs reçoivent le signal ultrasonore émis en salves par l émetteur. On obtient l oscillogramme (2). (2) (2) a. Quelle est la courbe correspondant au signal reçu par le récepteur le plus proche de l émetteur? Justifier... b. Avec quel retard t le second récepteur reçoit-il le même signal?.. c. À quoi correspond le décalage mesuré t entre les signaux reçus par les deux récepteurs? d. Calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans l eau. La comparer à la vitesse de propagation dans l air. PIERRON 2011 Propagation des ondes ultrasonores (page 8)